面向 5G 的新型多載波傳輸技術(shù)比較

摘 要: 介紹了幾種面向 5G 的新型多載波傳輸技術(shù): 濾波器組多載波( FBMC，F(xiàn)ilter Bank Multicarri-er) 、通用濾波多載波( UFMC，Universal Filtered Multicarrier) 和廣義頻分復(fù)用( GFDM，Generalized Fre-quency Division Multiplexing) 的基本原理，并從第五代移動通信系統(tǒng)( 5G) 支持的應(yīng)用場景和技術(shù)需求的角度對三種多載波傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點進行比較。研究表明三種多載波傳輸技術(shù)的帶外泄露較低，F(xiàn)BMC 系統(tǒng)不使用 CP( CP，Cyclic Prefix) ，因此具有很高的時頻效率，但 FBMC 系統(tǒng)幀的長度比較長，不適合短包類業(yè)務(wù); UFMC 對一組連續(xù)的子載波濾波，可以支持較短的幀結(jié)構(gòu)，但 UFMC 不使用CP，復(fù)雜度較高; GFDM 基于獨立的塊調(diào)制，具有靈活的幀結(jié)構(gòu)，魯棒性好，復(fù)雜度比前兩者低，便于實際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: 多載波; 第五代移動通信系統(tǒng); 濾波器組多載波; 通用濾波多載波; 廣義頻分復(fù)用

0 引 言
近年來，隨著智能終端設(shè)備的發(fā)展，新的技術(shù)和業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)，未來無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將向多樣化、智能化發(fā)展，當前的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)并不能滿足人們的需求。為了應(yīng)對未來海量的設(shè)備連接，不斷涌現(xiàn)的各類新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景如車聯(lián)網(wǎng) ( Tactile Inter-net) 、虛擬現(xiàn)實( V Ｒ ，Virtual Ｒ eality) 、 在線游戲( On-line Gaming ) 、 機 器 類 通 訊 ( MTC ， Machine － Type Communication ) 、物聯(lián)網(wǎng) ( IoT，Internet of Things ) 等［ 1］，第五代無線通信系統(tǒng)( 5G Wireless Communica-tion Systems) 的研究正如火如荼的進行，各個國家和地區(qū)都紛紛成立了研究和推進 5G 技術(shù)發(fā)展的計劃或組織如歐洲的第七框架計劃里的 METIS 和 5GNOW、韓國的 5G Forum 以及中國的 IMT－2020 等。

多載波傳輸技術(shù)是未來通信物理層的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中 CP －OFDM( OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 以其傳輸效率高，易通過 FFT / IFFT 實現(xiàn)，易與 MIMO 結(jié)合等諸多優(yōu)點被廣泛用于第四代移動通信系統(tǒng)( 4G LTE－A) 和 802． 16m 以及其它通信系統(tǒng)中 。但是傳統(tǒng)的 CP－OFDM 存在帶外泄漏高、同步要求嚴格、不夠靈活等缺點，不能很好的應(yīng)對未來的各種豐富的業(yè)務(wù)場景。而 5G 支持豐富的業(yè)務(wù)場景，每種業(yè)務(wù)場景對傳輸技術(shù)的需求各不相同，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)場景來動態(tài)地選擇和配置不同的多載波傳輸參數(shù)，同時又能繼承傳統(tǒng)的 CP －OFDM 的優(yōu)點，是對 5G 多載波傳輸技術(shù)的必然要求，所以必須研究開發(fā)出新的多載波傳輸技術(shù)，以適應(yīng) 5G 新的業(yè)務(wù)的要求。本文將詳細的介紹幾種目前熱門的多載波傳輸技術(shù): 濾波器組多載波 ( FB-MC)［3］、通用濾波多載波( UFMC) ［4］、廣義頻分復(fù)用( GFDM) ［5］的基本原理，并對各多載波傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點進行比較與總結(jié)，以對目前 5G 多載波傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀作一個綜合性的介紹。本文首先介紹為何傳統(tǒng)的 CP － OFDM 難以滿足新場景下的需求，然后給出三種新型多載波傳輸技術(shù)的基本原理，最后對幾種多載波傳輸技術(shù)進行比較并總結(jié)。

1 CP－OFDM 系統(tǒng)缺陷
5G 支持的應(yīng)用和業(yè)務(wù)將會變的多樣化智能化，不同的業(yè)務(wù)對空口的要求也不一樣，比如帶寬的業(yè)務(wù)要求更高的速率，對時延要求極為嚴格的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以及物聯(lián)網(wǎng)的海量連接等。下面我們直接從5G 支持的業(yè)務(wù)場景的角度來解釋為何 CP －OFDM難以滿足新場景下的需求。

1 靈活性問題 。事實上 一方面車聯(lián)網(wǎng)自動駕駛業(yè)務(wù)端到端 1ms 時延的要求，使得系統(tǒng)必須具有極短的時域符號和極短的傳輸時間間隔 ( TTI， transmission time interval) ，而這就需要頻域較寬的子載波帶寬。另一方面，對于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，當物聯(lián)網(wǎng)的很多傳感器同時連接時，單個連接傳送數(shù)據(jù)量極低，這屬于短包類突發(fā)式通信業(yè)務(wù)，這就需要在頻域上配置帶寬比較窄的子載波，這就會使時域符號和 TTI 足夠長，因此對于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)就幾乎可以不考慮時延擴展的問題，也就不需要再引入 CP�，F(xiàn)有 OFDM 方案的子載波帶寬確定后，符號的長度、CP 的長度等也就確定了，因此，CP －OFDM 系統(tǒng)的靈活性和應(yīng)變能力不足，這就要求新的傳輸技術(shù)能夠支持靈活的配置參數(shù)。

( 2) 精確的同步［1］。由于 OFDM 的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在子載波間的正交性，這就需要精確的同步，但如果對于物聯(lián)網(wǎng)場景中如此海量的鏈接都使用精確的同步過程，那么網(wǎng)絡(luò)將存在大量的同步信令，造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，同時異步操作還可以解決終端省電的問題。

( 3) 對零散頻段的利用［1］。由于各種原因，通信界中還有很多未使用的分散的頻段，為了解決頻帶資源稀缺的問題，可以將這些離散的頻段利用起
來。5G 將這些零散頻譜的利用作為 5G 支持的通信場景中的一種。但是由于 CP－OFDM 等效于使用矩形窗進行脈沖成形，因此旁瓣功率泄露較大，這會導(dǎo)致嚴重的子載波間的干擾，對零散頻段的利用造成了困難。

2 幾種面向 5G 新型多載波傳輸技術(shù)的基本原理

由于 CP－OFDM 不能滿足 5G 的需求，各國的
學(xué)者紛紛開發(fā)研究出很多新的多載波傳輸技術(shù)，以彌補
或者改進傳統(tǒng)的 CP－OFDM 的缺陷。濾波器組多載波( FBMC) 、通用濾波多載波( UFMC) 、廣義頻分復(fù)用( GFDM) 是目前業(yè)界討論的最多的多載波傳輸技術(shù)，下面將分別介紹三種多載波傳輸技術(shù)的基本
原理。
2． 1 濾波器組多載波( FBMC)
FBMC 系統(tǒng)由發(fā)送端的綜合濾波器組和接收端的分析濾波器組組成。分析濾波器組把輸入信號分解成多個子帶信號，綜合濾波器組對各個子帶信號進行綜合后進行重建輸出，由此可知，分析濾波器組和綜合濾波器組互為逆向結(jié)構(gòu)。無論是分析濾波器組還是綜合濾波器組它們的核心結(jié)構(gòu)都是原型濾波器，濾波器組中的其它濾波器都是基于原型濾波器頻移而得到的，分析濾波器組和綜合濾波器組的原型函數(shù)互為共軛和時間翻轉(zhuǎn) 。圖 1 是 FBMC系統(tǒng)基于 IFFT /FFT 實現(xiàn)的框圖，接收端輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換，然后通過 OQAM 處理以消除相鄰子載波之間的干擾，再經(jīng)過 IFFT 變換，之后進入多相濾波器組，而接收端進行相應(yīng)的逆變換恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。值得一提的是，由于原型濾波器可以根據(jù)實際的需求在一定準則下進行設(shè)計，各濾波器之間不再是正交的，因此 FBMC 子載波之間存在干擾，F(xiàn)BMC采用 OQAM 方式處理數(shù)據(jù)既可以避免相鄰子載波之間的干擾，又可以保持與 FFT 相同的碼率，使得所有的子載波得以充分利用。

圖 1 基于 IFFT /FFT 實現(xiàn)的 FBMC 系統(tǒng)框

其中多相濾波器組的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，圖中Hi( i = 1，2，…，M－1) 表示子帶濾波器頻率響應(yīng)的 Z 變換。

圖 2 PPN 結(jié)構(gòu)框

目前關(guān)于 FBMC 的研究大多集中在認知無線電和頻譜感知的方面，旨在利用零散的頻段。這就要求原型濾波器在滿足一定準則下旁瓣衰減水平高。

圖 3 和圖 4 分別顯示了使用 PHYDYAS 項目組 設(shè)計的濾波器的 FBMC 系統(tǒng)與 OFDM 的子載波的衰減情況。

圖 3 FBMC 子帶衰減

圖 4 OFDM 子帶衰減

通過設(shè)計 FBMC 的原型濾波器的沖激響應(yīng)和頻率響應(yīng)，以達到降低帶外泄露的目的，便于利用零散的頻譜資源，并且各子載波之間不必是正交的，可以使用更小的頻率保護間隔，因此不需要插入循環(huán)前綴，使系統(tǒng)具有更高的時頻效率。但此時由于子載波之間不是正交的，必然會導(dǎo)致較高的符號間干擾 ( ISI，Inter Symbol Interference) 。最后，由于 FBMC
能實現(xiàn)各子載波帶寬設(shè)置、各子載波之間的交疊程度的靈活控制，從而可靈活控制載波間干擾 ( ICI， Inter Carrier Interference) 。值得說明的是，因為子載波具有較窄的帶寬，發(fā)射濾波器的沖激響應(yīng)的長度通常很長，于是 FBMC 的幀的長度比 OFDM 的幀長，但 FBMC 符號中沒有循環(huán)前綴，從而可以彌補這種效率損失。此外，F(xiàn)BMC 的計算復(fù)雜度高于OFDM，但由于信號處理和電子設(shè)備的顯著進步， FBMC 實際應(yīng)用是可行的。

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